Nghiên cứu giải pháp khắc phục, chống bồi lấp cửa Đề Gi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHI
ÊN
===    ===



Trương Mạnh Chiến




NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC, CHỐNG
BỒI LẤP CỬA ĐỀ GI




LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




Hà Nội – Năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
===    ===



Trương Mạnh Chiến



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC, CHỐNG
BỒI LẤP CỬA ĐỀ GI

Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60440228

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỌ SÁO


Hà Nội – Năm 2014

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC 3
CHƯƠNG I. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, XÃ HỘI, ĐỊA HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ 3
KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN 3
1.1. Điều kiện tự nhiên và xã hội khu vực đầm Đề Gi 3
1.2. Đặc điểm hình thái đường bờ khu vực đầm Đề Gi 4
1.3. Chế độ khí tượng thủy văn 5
1.4. Địa hình đáy biển 7
1.5. Đặc điểm các công trình bảo vệ bờ biển 8
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH DELFT 3D 10
2.1. Cơ sở lý thuyết 10
2.2. Mô hình toán học 10
2.2.1. Mô hình thủy động lực 10
2.2.2. Mô hình sóng 20
2.2.3. Mô hình vận chuyển trầm tích 24
CHƯƠNG III. ÁP DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TẠI KHU VỰC CỬA ĐỀ GI 28
3.1. Phân tích, xử lý số liệu đầu vào cho mô hình 28
3.1.1. Số liệu địa hình đáy và đường bờ 28
3.1.2. Số liệu sóng nước sâu 30
3.1.3. Số liệu mực nước đo đạc dùng hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình 34
3.1.4. Số liệu thủy triều và dòng chảy 35
3.1.5. Số liệu trường gió 36
3.2. Thiết lập mô hình 37
3.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 40
3.4.1. Các kết quả tính toán sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát và biến đổi
đáy biển trong trường hợp tính toán có công trình (hiện trạng) 43
3.4.2. Các kết quả tính toán sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát và biến đổi
đáy biển trong trường hợp tính toán không có công trình 51

3.4.3. So sánh kết quả tổng hợp và đánh giá 58
3.5. Giải pháp khắc phục 60
KẾT LUẬN 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1
DANH MỤC HÌNH VẼ 2


1



MỞ ĐẦU
Vận chuyển bùn cát và biến động đáy biển chịu tác động của nhiều quá trình động
lực học phức tạp, trong đó quá trình tác động của sóng, dòng chảy và mực nước đóng
vai trò chính. Quá trình sóng tác động làm nguồn bùn cát dưới đáy bị xáo trộn và đồng
thời tạo ra dòng chảy sóng trong đới sóng đổ. Dòng chảy do sóng và các loại dòng
chảy khác tại khu vực sát bờ tải phần bùn cát bị xáo trộn từ nơi này sang nơi khác. Độ
cao mực nước thay đổi theo thời gian dẫn tới thay đổi vận chuyển bùn cát. Trong thực
tế, các quá trình sóng, dòng chảy và mực nước diễn ra đồng thời và tác động qua lại
lẫn nhau, kết quả gây ra những biến động bãi biển, bờ biển. Do vậy, để mô phỏng
chính xác vận chuyển bùn cát và biến đổi bãi biển không thể tính toán độc lập từng
yếu tố mà phải tính toán đồng thời, có sự tương tác qua lại giữa sóng, dòng chảy và
mực nước với nhau cũng như sự tác động ngược lại của biến động đáy tới các quá
trình trên.
Trong những năm gần đây, các hoạt động kinh tế, du lịch biển phát triển mạnh,
nhiều công trình được xây dựng ở các vùng cửa sông ven biển như cảng, kè chắn sóng
và các công trình bảo vệ bờ… Các công trình này đã có tác động mạnh mẽ đến các quá
trình thủy động lực và làm thay đổi quá trình vận chuyển bùn cát tại vị trí xây dựng
công trình cũng như các vùng biển lân cận. Các công trình biển được xây dựng với
mục đích bảo vệ các vùng bờ biển tránh khỏi các tác động phá hủy trực tiếp của các

yếu tố từ biển, ngăn chặn các quá trình bồi lấp luồng tàu và tạo ra khu vực neo đậu an
toàn cho các phương tiện đường thủy. Tuy nhiên, các công trình biển cũng gây nên
một số vấn đề không mong muốn cho các vùng biển lân cận cũng như không phát huy
được đúng tính năng thiết kế ban đầu như: gây xói lở tại khu vực bờ biển lân cận công
trình, làm thay đổi tuyến luồng vào các cảng. Do vậy, để khắc phục các vấn đề ngoài
mong muốn cần thiết phải có các tính toán cho các phương án đề xuất trước khi xây
dựng các công trình. Một phương pháp đơn giản, cho độ tin cậy cao là áp dụng các mô
hình hiện đại mô phỏng các phương án đề xuất, từ đó chọn ra được phương án tối ưu
cho mỗi công trình.
Cửa Đề Gi và đầm Nước Ngọt nằm trên ranh giới phía Đông của xã Mỹ Chánh,
huyện Phù Mỹ và xã Cát Minh, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định. Khu vực nghiên cứu

2



có tọa độ (14
o
07’ - 14
o
11’N) và (109
o
08’- 109
o
14’E). Cửa Đề Gi là cửa thoát nước của
hệ thống sông La Tinh với diện tích lưu vực 719 km
2
. Đây cũng là cửa thông thương
với đầm Nước Ngọt phục vụ ra vào cho tàu thuyền đánh cá, giao thông vận tải, đồng
thời cũng là cửa trao đổi nước biển với đầm phục vụ cho việc nuôi trồng thủy hải sản.

Vì vậy cửa Đề Gi có một tầm quan trọng đặc biệt đối với việc phát triển kinh tế - xã
hội của địa phương. Đề Gi tuy không phải là một cửa cảng rộng và sâu nhưng có hòn
Lâm Sơn án ngữ như một tấm bình phong chắn gió từ hướng Bắc tạo thành một nơi trú
đậu lí tưởng cho thuyền bè. Nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển nghề cá, khai thác tốt
tiềm năng, kinh tế biển, huyện Phù Cát được Nhà nước đầu tư xây dựng bến cá Đề Gi
bao gồm cầu cảng, bờ kè, đê chắn cát. Tuy nhiên công trình sau khi đưa vào sử dụng
đã không phát huy hiệu quả như mong muốn. Thực tế sau khi xây dựng, cửa Đề Gi vẫn
còn hiện tượng bồi lấp. Chính vì vậy cần phải tìm ra nguyên nhân công trình không
phát huy được hiệu quả, để từ đó có các biện pháp khắc phục, nhằm giải quyết tình
trạng bồi lấp cửa Đề Gi, tạo thuận lợi cho tàu thuyền ra vào dễ dàng, phát huy được
hiệu quả.
Delft 3D là mô hình tổng hợp ba chiều do Viện Thuỷ Lực Delft (Hà Lan) nghiên
cứu phát triển gồm có các mô đun cơ bản như Delft 3D-Flow (tính thủy động lực),
Delft 3D-Wave (tính sóng), Delft 3D-Sed (tính vận chuyển bùn cát)… Các mô đun
này có thể kết hợp tính toán đồng thời, mô phỏng được sự tương tác giữa các quá trình
thuỷ động lực – sóng và vận chuyển trầm tích tại mỗi điểm tính của mô hình. Mô hình
Delft 3D mô phỏng tốt các quá trình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát ở
vùng cửa sông ven bờ. Vì vậy, Delft 3D được chọn là công cụ tính toán, phục vụ cho
các nghiên cứu của luận văn.







3

CHƯƠNG I. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, XÃ HỘI, ĐỊA HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ
KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN
1.1. Điều kiện tự nhiên khu vực đầm Đề Gi
Đầm Đề Gi là một trong các đầm phá ven biển của miền trung của Việt Nam.
Vị trí trung bình của đầm vào khoảng 14
o
09’N và 109
o
10’E. Đầm Đề Gi là đầm
tương đối kín với tổng diện tích khoảng 15 km
2
và thông với biển qua cửa Đề Gi
(hình 1), chịu tác động của rất nhiều yếu tố: thủy thạch động lực, cấu tạo đường bờ,
hoạt động tân kiến tạo, cấu trúc địa chất, cấu trúc hình thái đường bờ và địa hình
đáy, thành phần vật liệu, nguồn cung cấp vật liệu; đồng thời các quá trình thành tạo
cùng với các yếu tố trên trong các vũng vịnh, đầm phá, và sự tác động của con
người trong khu vực, như nuôi trồng
thủy
sản, khai thác quá mức các nguồn tài
nguyên phi sinh vật và tài nguyên sinh vật… làm ảnh hưởng đến môi trường vũng
vịnh, đầm phá đó, không có qui hoạch cụ thể đã làm ảnh hưởng đến vùng bờ cũng
như cảnh quan vùng bờ của đầm Đề Gi [1].

Hình 1. Bản đồ điều kiện tự nhiên và xã hội khu vực đầm Đề Gi (theo Phạm Bá
Trung)


4

1.2. Đặc điểm hình thái đường bờ khu vực đầm Đề Gi
Hình thái đường bờ khu vực đầm Đề Gi, đoạn bờ phía đông từ đỉnh đầm đến
cửa Đề Gi dài khoảng 6 km, phần đỉnh đầm thuộc xã Mỹ Thành chỉ còn lại là
những đám rừng ngập mặn nhỏ (hình 2a), phần còn lại của đoạn bờ gần như được
kè khá kiên cố bằng những bi tròn vòng quanh các ao nuôi tôm và đổ đá xung
quanh xen giữa những đoạn bờ này là những đám rừng ngập mặn nhỏ (hình 2b),
phần lớn đoạn bờ này bị xói lở (do ảnh hưởng của bão 11/2009), đi về phía cửa Đề
Gi đoạn bờ tương đối ổn định do được kè rất kiên cố, còn ở phía biển có các mỏ
đang khai thác Titan, ảnh hưởng rất lớn cảnh quan của vùng như ở xã Mỹ Thành đã
có một lớp rừng chắn cát khá vững chắc, được người dân trồng từ hơn 20 năm
trước.
-
-
Chính những cánh rừng này đã góp phần chấm dứt nạn "cát bay" đã từng xảy ra ở
Mỹ Thành từ nhiều đời nay."Lá phổi" cho hàng ngàn gia đình vùng biển này vẫn
không có gì thay đổi nếu như người ta không phát hiện ra lượng Titan khổng lồ nằm
bên dưới, quá trình khai thác tuyển chọn titan ảnh hưởng đến nước ngầm. Đoạn bờ
này điển hình cho dạng tích tụ gió này là ở phía bắc đầm Đề Gi thuộc địa phận xã Mỹ
Thành huyện Phù Mỹ, nơi tích tụ gió hàng tháng, hàng năm phát triển lớp lớp chồng
lên nhau tạo thành bình nguyên cát không khác mấy so với cảnh sa mạc. Tích tụ y tạỡi
Phát triển theo chiều rộng hàng năm từ vài chục đến hàng trăm mét, có nơi đụn
cát đã lấn vào đất trồng hay thổ cư của nhân dân địa phương, gây nên vấn đề bức
xúc tại đây. Đoạn bờ ở phía bắc cửa đầm Đề Gi là dãy núi cao Sơn Lâm, quá trình
xói lở - bồi tụ gần như không xảy ra, có thể nói đoạn bờ phía đông đầm Đề Gi là
doi nối đảo.
Đoạn bờ phía tây đầm Đề Gi từ xã Mỹ Chánh – cửa Đề Gi có chiều dài khoảng
6,5 km và có ba cửa sông lớn đổ vào đầm Đề Gi, ở phần đỉnh đầm thuộc xã Mỹ
Chánh chủ yếu là các đám rừng ngập mặn còn thưa thớt và đan xen theo đó là các
khu vực ao nuôi tôm, chỉ còn một phần nhỏ là những đoạn bờ tự nhiên. Đặc biệt

Hình 2a. Đoạn bờ ở đỉnh đầm Đề Gi

Hình 2b. Đoạn bờ có các công trình kè rất kiên cố

5



đoạn bờ phía nam cửa Đầm Đề Gi, xảy ra quá trình bồi lấp ở cửa Đề Gi. Khoảng
mười năm trở lại đây cộng đồng ngư dân và chính quyền ở các địa phương đã cố
gắng đắp các kiểu kè mỏ hàn nhằm ngăn chặn luồng cát bồi dẫn tới cửa. Nhưng
cho đến nay nạn bồi lấp vẫn chưa giải quyết được, thậm chí từ khoảng 4 - 5 năm
trở lại đây, tình hình còn nghiêm trọng hơn. Việc xây đắp kè trước cửa mà địa
phương đã làm dẫn đến một số thay đổi trong cơ chế thủy động lực vùng cửa biển,
kèm theo là thay đổi quá trình lắng đọng vật liệu bồi lấp cửa, các quá trình thủy
động lực và thạch động lực đều trở nên phức tạp hơn. Ở phần phía trong cửa sông
hình thành nhiều doi cát có chiều dài từ 100 - 200m, có chiều rộng khoảng 5 - 15m.
Những tác động của sóng trong mùa gió Đông Bắc đã đẩy cát vào sát bờ hình thành
đụn cát cao ở mũi phía nam cửa, từ đó lan truyền ra phía mặt cắt cửa và eo cửa. Cát
trườn vào và tụ lại ở bờ phía Nam tạo thành một dải cát bồi hẹp men theo bờ nam
eo cửa. Cho đến hiện tại, sau xây dựng kè hiện tượng bồi lấp cửa vẫn diễn ra mạnh,
tập trung ở mũi nam cửa và bờ nam eo cửa [1].

Hình 3a. Doi cát phía bắc kè Hình 3b. Bồi tụ phía nam kè
1.3. Chế độ khí tượng thủy văn
Khu vực đầm Đề Gi mang đầy đủ các đặc trưng của khí hậu khu vực Nam
Trung Bộ đó là chịu ảnh hưởng, chi phối của hệ thống gió mùa: gió mùa Đông Bắc
(các tháng mùa đông I, II và XI, XII) và gió mùa Tây Nam (các tháng mùa hè VI,
VII, VIII, IX). Tuy nhiên chế độ gió trong mùa Đông Bắc không còn giữ nguyên
được đặc tính khô lạnh như ở miền Bắc, sau khi đi qua một vùng biển dài khối khí

6



khô và lạnh bị biến tính trở nên ẩm hơn. Chính vì điều đó, mỗi khi có sự xuất hiện
của gió mùa Đông Bắc, hiện tượng mưa lại diễn ra. Trái ngược với mùa gió Đông
Bắc, trong các tháng mùa hè với sự chi phối của gió mùa Tây Nam với hiệu ứng
Phơn làm cho khu vực trở nên khô và nóng. Như vậy, đi kèm với chế độ gió là hiện
tượng mưa vào các tháng mùa đông và khô nóng vào các tháng mùa hè kéo theo
chế độ thủy văn trong vùng cũng diễn ra theo các quy luật tương tự.
Phía bên ngoài đầm phá, chế độ sóng cũng tuân theo quy luật phân bố của
trường gió. Đây là khu vực có bờ biển hở, các sóng tại vùng biển khơi lan truyền
và tác động trực tiếp gây nên các biến động lớn tới bãi biển và khu vực cửa sông.
Các hướng sóng chính tại khu vực này là sóng hướng Đông Bắc, Đông và Đông
Nam. Các hướng sóng khác chiếm một tỉ lệ rất nhỏ và có độ cao, chu kỳ sóng
không lớn. Trong các hình 4, 5 là hoa gió, sóng tại khu vực cửa Đề Gi.

Hình 4. Hoa gió tại khu vực Đề gi (NCEP, 1988-2012)








Hình 5. Hoa sóng tại khu vực Đề Gi (Đề tài “KC09.19/06-10”)



7



1.4. Địa hình đáy biển
Để xây dựng được bản đồ địa hình, các nguồn số liệu địa hình được thu thập từ
nhiều nguồn khác nhau. Cụ thể gồm có: Hải đồ Hải quân Mỹ xuất bản năm 1967,
tỷ lệ 1: 50 000, để số hóa thành lập bản đồ nền và thu thập số liệu độ sâu, Hải đồ
Hải quân Nhân Dân Việt Nam tái bản năm 1991, tỷ lệ 1: 100 000, thu thập số liệu
độ sâu và bản đồ C-map năm 1999, tỷ lệ 1: 50.000 và các số liệu đo sâu hồi âm của
một số dự án đã tiến hành tại đây. Từ bản đồ địa hình (hình 6) cho thấy rằng khu
vực nghiên cứu có hình thái địa hình đáy tương đối đơn giản và có thể chia thành 2

khu vực phần bên trong đầm và phần lạch (eo cửa) nối từ đầm ra đến cửa Đề Gi.
Phần bên trong đầm: Địa hình đáy đầm tương đối đơn giản có lạch sâu chạy
theo hướng gần như Bắc - Nam và nằm sát bờ phía đông của đầm Đề Gi, lạch sâu ở
bờ phía đông có chiều dài khoảng 2,1- 2,5 km có độ sâu trung bình khoảng 1,5 - 2
m, chiều rộng trung bình khoảng 150 – 200 m, tàu thuyền đánh cá trong vùng
thường đi sát bờ phía đông của đầm Đề Gi, còn từ khu vực đỉnh đầm đến khu vực
xã Cát Minh có độ sâu trung bình 1-1,5 m, khi triều thấp nhất thì trong vùng còn
xuất hiện một số cồn (Bar) ở phần đỉnh đầm, cồn nằm ở phía tây nam của đầm, một
số cồn ở phía trước cửa. Một đặc trưng của địa hình đáy đầm là ở một số nơi hình
thành các hố trũng (thường có độ sâu trên 2 m), hay các bãi bồi cát, cát chứa bùn.
Vùng ven bờ đầm, địa hình tương đối bằng phẳng, thoải đều, tạo nên bãi triều rộng
từ vài chục mét đến vài trăm mét.
Phần lạch: Từ cửa biển vào tới đầm Đề Gi có chiều dài khoảng 2 – 2,5 km và
chiều rộng trung bình khoảng 250 - 270 m và có độ sâu trung bình từ 4 - 5 m, nơi
sâu nhất là 8,5 m để vào phía trong đầm, có cấu trúc địa hình đáy tương đối phức
tạp. Phần bên ngoài cửa đầm, địa hình biến đổi rất phức tạp. Lòng lạch uốn lượn
theo địa hình hai bên đường bờ, nhiều đoạn có địa hình rất dốc và luồng chính có
độ sâu trung bình 4 - 5 m đi vào bên trong đầm là đi về phía bờ bắc của cửa Đề Gi
và sau đó là đi chếch về phía tây và cập cảng cá Đề Gi, trong khu vực này có cảng
cá Đề Gi với độ sâu khoảng 4 - 5 m, cũng là nơi trú bão của rất nhiều tàu thuyền
trong vùng cũng như khu vực miền Trung. Ở phần cửa Đề Gi thường hình thành
các bãi bồi nằm ở phía nam cửa phía trước kè và phần bên trong kè cũng hình
thành các doi cát ngầm làm cho cửa Đề Gi hẹp lại [1].

8

Hình 6. Bản đồ địa hình khu vực đầm và cửa Đề Gi

1.5. Đặc điểm các công trình bảo vệ bờ biển
Tại khu vực trong đầm và cửa biển Đề Gi hiện tại được xây dựng một số công
trình biển như: Cảng cá, công trình tường bao bảo vệ bờ và công trình kè chắn sóng
ngăn bồi lấp luồng tàu.
- Cảng cá: Cảng cá được xây dựng phía trong đầm và gần phía cửa ra vào. Cảng
được xây dựng với mục đích phục vụ nghề cá và là nơi tránh trú bão cho các tàu
thuyền.
- Công trình bảo vệ bờ: Các công trình tường bao được xây dựng tại một số đoạn
cả phía trong đầm và phía ngoài đầm. Các công trình này được xây dạng tường
đứng có mái phía trước và gờ hất sóng phía trên nhằm bảo vệ các vùng bờ biển
trước sự xâm hại của sóng biển và lũ.
- Công trình kè chắn sóng: Công trình là một kè chữ I dài từ bờ ra tới độ sâu gần
5 m và được xây dựng trong năm 2002. Kè dài 480 m có bề mặt rộng 4 m chân

đế rộng 35 - 40 m, cao trình 3,5 m. Công trình xây dựng nhằm mục đích ngăn

9



sự bồi lấp luồng vào cảng và chắn sóng đảm bảo an toàn cho tàu bè vào cảng.
Đây là một công trình được quan tâm nhiều nhất do những tác động của nó tới
luồng tàu và các khu vực lân cận hình ảnh kè chắn sóng thể hiện trong hình 7 và
8












Hình 7. Quá trình xây dựng kè chắn sóng Đề Gi

Hình 8. Vật liệu xây dựng kè chắn sóng Đề Gi

10



CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH DELFT 3D
2.1. Cơ sở lý thuyết
Về lý thuyết các nguyên nhân gây bồi xói bờ biển và cửa sông thuộc ba nhóm:
nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh. Nội sinh bao gồm các hoạt động kiến tạo, thạch
động lực, cấu trúc địa chất địa mạo. Ngoại sinh bao gồm: sóng và dòng chảy tổng
hợp, đặc điểm trầm tích, các dạng thời tiết đặc biệt. Các hoạt động nhân sinh gồm:
xây dựng các công trình, khai thác khoáng sản Tại khu vực cửa Đề Gi, ta chỉ xét
đến vận chuyển trầm tích chủ yếu phụ thuộc vào hai nhóm nguyên nhân: ngoại sinh
và nhân sinh. Do đó trong nghiên cứu này tác giả tập trung vào hai nhóm cuối để
phân tích đánh giá các điều kiện khí tượng thủy văn, đặc điểm trầm tích tại khu vực
và các hoạt động của con người, sau đó sẽ sử dụng mô hình toán học để làm rõ
quan điểm này.

2.2. Mô hình toán học
Trong luận văn này các đối tượng nghiên cứu chủ yếu như thủy động lực, vận
chuyển trầm tích được mô hình hóa trên cơ sở của mô hình Delft3D. Đây là mô
hình 3 chiều (3D) do Viện Thủy Lực Delft (Hà Lan) nghiên cứu và phát triển gồm
các modun cơ bản như: thủy động lực (Delft3D – flow), sóng (Delft3D – Wave),
vận chuyển bùn cát (Delft3D – Sed), chất lượng nước (Delft3D – Waq) và sinh thái

học (Delft3D – Eco).
Modun thủy động lực Delft3D – Flow có thể tính toán kết hợp đồng thời với
các modun khác như sóng (Delft3D – Wave), vận chuyển trầm tích (Delft3D –
Sed).
2.2.1. Mô hình thủy động lực
Cơ sở toán học của mô hình TĐL trong Delft3D là giải phương trình Navier-
Stokes với chất lỏng không nén trong nước nông và phương pháp xấp xỉ
Boussinesq. Sự biến đổi của thành phần vận tốc thẳng đứng trong phương trình
động lượng được bỏ qua. Với mô hình ba chiều, thành phần vận tốc thẳng đứng được
tính toán từ phương trình liên tục.
Modun Delft3D – FLOW bao gồm các công thức toán học được xây dựng dưới
các giả thiết vật lý cơ bản dưới đây:

11



- Có sự dao động trên mặt tự do.
- Tính đến ảnh hưởng của lực quay trái đất - lực Coriolis.
- Tính đến ảnh hưởng của mật độ nước (phương trình trạng thái).
- Tính chênh lệch mật độ theo phương ngang do áp suất.
- Rối được đưa vào thông lượng khối và động lượng.
- Tính đến vận chuyển muối, nhiệt và các phần tử cố kết khác.
- Lực thủy triều tác động đến biên mở.
- Tính đến biến đổi ma sát trượt của gió theo thời gian và không gian trên
bề mặt nước.
- Ma sát trượt đáy biến đổi theo thời gian.
- Biến đổi áp suất khí quyển trên mặt nước theo cả không gian và thời
gian.
- Nguồn vào và ra thay đổi theo thời gian.

- Tính đến các điểm khô ướt trên bãi triều.
- Trao đổi nhiệt thông qua mặt thoáng.
- Bay hơi và lắng đọng.
- Các lực tạo triều.
- Ảnh hưởng của dòng chảy trên biên trong các phương trình động lượng
trung bình theo độ sâu.
- Ma sát trượt biên ở bên biên cứng.
- Trao đổi thẳng đứng của động lượng do sóng nội.
- Ảnh hưởng của sóng đến ma sát đáy (2D và 3D).
- Dòng chảy qua các công trình.
- Trong trường hợp hai chiều, quy mô không gian theo phương thẳng
đứng (độ sâu) được coi nhỏ hơn rất nhiều so với phương ngang hay giả
thiết là vùng nước nông. Khi đó gia tốc theo phương thẳng đứng nhỏ
hơn nhiều so với gia tốc trọng trường. Vì vậy phương trình chuyển
động theo phương thẳng đứng được rút gọn thành phương trình cân
bằng thủy tĩnh.
a. Hệ tọa độ
Trong mô hình thủy động lực của Delft3D, có thể chọn một trong ba hệ tọa độ
Đề các (Cartesian- x,y), hệ toạ độ cong trực giao (

,

) và hệ tọa độ cầu (

,

).

12

 ; ;

G
 R cos ;

G
= R ; R- bán kính trái đất;

- vĩ độ địa lý
Tọa độ thẳng đứngđược định nghĩa như sau : 
H
z
d
z








Với: z là khoảng cách trong hệ tọa độ thẳng đứng;

- mực nước; d – độ sâu; H - độ sâu
cột nước (H = d +

). Tại đáy


tại mặt nước


b. Các phương trình
Phương trình liên tục
Phương trình liên tục cho độ sâu trung bình trong hệ tọa độ cong trực giao
),(

:
Q
GVd
GG
GUd
GG
t



















)[(
1
])[(
1
(2)
Với
EPdqqHQ
outin



)(
.
Trong đó:

,

: là các tọa độ ngang trong hệ toạ độ cong trực giao;

GG
: là các
hệ số chuyển đổi từ hệ toạ độ cong trực giao sang hệ tọa độ Đề các; d: là độ sâu tại
điểm tính (độ sâu của nước dưới đường chuẩn (0 hải đồ));

: là mực nước tại điểm tính
(so với 0 hải đồ); U, V: lần lượt là các thành phần vận tốc trung bình theo các hướng


,

; q
in
và q
out
: lần lượt là nguồn nước đưa vào và ra trên một đơn vị thể tích; H: là độ dày
cột nước tại điểm tính (H = d +

); P, E: lần lượt là lượng mưa và bốc hơi.
Các phương trình động lượng
Phương trình bảo toàn động lượng theo hướng

,

(tọa độ cong trực giao):












M

u
v
d
FP
G
fv
G
GG
v
G
GG
uvu
d
u
G
vu
G
u
t
u
v



























)(
)(
11
2
0
2


Và:













M
v
v
d
FP
G
fu
G
GG
u
G
GG
uvv
d
v
G
vv
G
u
t
v
v



























)(
)(
11
2

0
2
(3)


13



Trong đó:

: là vận tốc theo hướng  trong hệ toạ độ  (m/s); f : là tham số lực Coriolis (1/s).
M

, M

: lần lượt là ngoại lực theo các hướng

,

; P

, P

: là gradient áp suất; F

, F

là ứng
suất Reynol;


0
: là tỷ trọng của nước; u, v: lần lượt là vận tốc dòng chảy theo hướng

,


(hay x, y); F: thông lượng rối (m/s
2
);

v
: thành phần nhớt theo phương thẳng đứng; M: mô
men động lượng thêm vào hay mất đi.
Phương trình cân bằng thủy tĩnh

Hg
P





(4)
Sau khi lấy tích phân 2 vế theo phương thẳng đứng

ta có:
''
),,,(


dtgHPP
atm


(5)
Nếu coi mật độ nước không biến đổi và đưa vào tính chung với áp suất khí
quyển P
atm
thì áp suất tổng cộng theo các hướng sẽ là:














atm
P
GG
g
P
G
00

11
(6)














atm
P
GG
g
P
G
00
11
(7)
Trong trường hợp mật độ là một hàm của nhiệt độ và độ muối thông qua
phương trình trạng thái thì ta có chênh lệch áp suất theo phương ngang sẽ là:
'
0
00

1
















d
G
d
g
G
g
P
G






















(8)
'
0
00
1

















d
G
d
g
G
g
P
G






















(9)

14



Phương trình trạng thái
Tỷ trọng của nước biển

là hàm của nhiệt độ và độ muối. Trong Delft3D –
FLOW, ta có thể chọn giữa hai kiểu công thức khác nhau của phương trình trạng thái
(Eckact hoặc UNESCO). Phương trình trạng thái của Eckact dựa trên một giới hạn đo
đạc từ năm 1910. Công thức thực nghiệm này như sau:
00
0
1000
P
P




(10)
Trong đó: t,s là nhiệt độ và độ muối.

Và:  1779.5 11.25t 0.0745t
2
 (3.80 0.01t)s

0
0.698 ; P
0
 5890  38t 0.37t
2
 3s
0 < t < 40
0
C, 0 < s < 40‰
c. Điều kiện biên
Điều kiện biên theo phương thẳng đứng
Trong hệ tọa độ

, lớp biên tự do trên mặt ( = 0, hoặc z = ) và đáy ( = -1, hoặc z = -d);

là vận tốc thẳng đứng liên quan tới mặt phẳng

. Với giả thiết không có trao đổi qua bề mặt và
đáy:

0
1





và

0
0




(11)
Điều kiện biên ở lớp đáy
Ở lớp biên đáy, điều kiện biên cho các phương trình động lượng là:

;
0
1






b
v
u
h





;
0
1






b
v
v
h





(12)
Trong đó


b
và


b
là các thành phần ứng suất đáy theo phương

,

.
Ứng suất trượt ở đáy gây ra dòng chảy rối lần lượt cho dòng chảy trung bình
theo độ sâu (2 chiều) và 3 chiều là:

15




U
U
C
g
b
D



2
2
0


;
b
u
C
g
b
U

b
D


2
3
0


(13)
Với U là vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu theo phương ngang; u
b
là
vận tốc dòng chảy theo phương ngang của lớp nước đầu tiên phía trên đáy (ba chiều).
Các công thức của Chezy, Manning và White - Colebrook được dùng để xác
định ứng suất trượt do dòng chảy trung bình theo độ sâu:
Công thức Manning:
n
h
C
D
6
2

với h là độ sâu tổng cộng; n là hệ số Manning.
Công thức White Colebrook:










s
D
k
h
C
12
log18
102
; k
s
là hệ số Nikuradse.
Để tính toán vận tốc dòng chảy theo phương ngang ở đáy trong trường hợp 3
chiều, Delft3D-FLOW sử dụng công thức:










0
*

2
1ln
z
z
u
u
b
b


(14)
Hệ số Chezy trong trường hợp dòng chảy 3 chiều được xác định như sau:











0
23
2
ln
z
z
g

CC
b
DD


(15)
Với z
o
là độ nhám đáy, phụ thuộc vào thành phần bình lưu trong hệ tọa độ

,

và thời gian t:
ee
h
z
g
C
D












2
1
0

(16)
Điều kiện biên bề mặt
Điều kiện biên cho phương trình động lượng:
)cos(
00





s
u
h
v





(17)


)sin(
00






s
v
h
v






16



Với θ là góc tạo bởi giữa vector ứng suất gió và hướng đường lưới tính

. Ứng
suất gió có thể xác định bằng:

sss
uu
**
0





(18)
Và độ lớn được xác định bằng
2
10
UC
s
da





Trong đó
a

là mật độ không khí; U
10
là vận tốc gió ở 10m phía trên bề mặt; C
d

là hệ số ma sát gió.
Điều kiện biên mở
Trong mô hình Delft3d-Flow, điều kiện biên mở có thể dựa trên các số liệu tính
toán, quan trắc hoặc NESTHD (lưới lồng) từ mô hình có phạm vi miền tính lớn hơn. Có
4 kiểu điều kiện biên mở được áp dụng là: Mực nước:
)(tF




; Vận tốc dòng chảy: U =
F
U
(t); Lưu lượng (tổng và từng ô lưới): Q = F
Q
(t).
Điều kiện tại biên lỏng
Trong Delft3D-FLOW có các loại biên sau có thể được đưa vào:
 Biên mực nước:
)(tF




 Biên vận tốc:
)(tFU
U


 Biên lưu lượng (tổng cộng hoặc theo ô lưới):
)(tFQ
Q


 Biên không đổi Riemann
)(tF
d
g
U
R




Thông thường các điều kiện biên được xác định trong giới hạn một số các điểm
biên. Việc nội suy tuyến tính dọc biên được sử dụng để gán các giá trị tại điểm biên, vì
vậy việc nội suy này có thể tạo ra dòng chảy không thực trong khu vực quan tâm.
Miền tính nên được mở rộng để ảnh hưởng của điều kiện biên đến vùng quan tâm là
nhỏ nhất.
Điều kiện biên cứng
Biên cứng được đặt tại vị trí chuyển tiếp giữa đất và nước. Tại biên cứng bắt
buộc phải thỏa mãn hai điều kiện là: đối với dòng chảy tại biên và ứng suất trượt dọc
tại biên.

17



 Đối với dòng chảy tại biên: không có dòng chảy qua biên (điều kiện
không thấm).
 Đối với ứng suất trượt dọc biên thì một trong hai điều kiện sau phải
được thỏa mãn: ứng suất trượt tiếp tuyến bằng không (điều kiện
không trượt) hoặc điều kiện trượt từng phần.
Với các tính toán trong phạm vi rộng thì ảnh hưởng của ứng suất trượt dọc biên
cứng có thể bỏ qua và điều kiện không trượt được áp dụng cho tất cả các biên cứng.
Còn với các tính toán trong phạm vi hẹp thì ảnh hưởng của bề mặt biên cứng trở nên
đáng kể.
d. Điều kiện ban đầu
Trong mô hình Delft3D, các điều kiện ban đầu như mực nước, nhiệt độ, độ
muối cần được xác định. Ở mô hình thủy động lực có hai cách xác định điều kiện ban
đầu:

- Xác định điều kiện ban đầu tứ các file kết quả của các lần chạy trước.
- Xác định điều kiện ban đầu do người chạy.
e. Tiêu chuẩn ổn định của mô hình Delft3D-FLOW
Các phương trình toán học trên được giải bằng phương pháp sai phân ẩn với sơ đồ
khử luân hướng (ADI – Alternating Direction Implicit) trên hệ lưới cong. Trong mô
hình thuỷ động lực, độ ổn định của mô hình có thể được đánh giá qua số Courant – một
chỉ số đánh giá độ chính xác và tiêu chuẩn ổn định của mô hình. Đối với những vùng có
sự biến đổi lớn về địa hình đáy biển hoặc đường bờ, số Courant không nên vượt quá
khoảng 10-30 [6]. TheoStelling với mô hình 2 chiều, số Courant (CFL- Courant
Friedrichs-Lewy) được xác định như sau:













22
11
2
yx
ghtCFL
(19)
Trong công thức trên: g: gia tốc trọng trường (m/s

2
); h: là độ sâu của cột nước tại
điểm tính (m);

t: là bước thời gian (giây);

x: là kích thước ô lưới theo phương x (m);

y: là
kích ô lưới theo phương y (m).
Trong mô hình 3 chiều, tiêu chuẩn ổn định được dùng tương tự như với mô hình 2
chiều nhưng với điều kiện cần có so sánh đánh giá với các bước thời gian khác nhau.


18



f. Tương tác dòng chảy – sóng
Tương tác sóng – dòng chảy trong Delft3D dựa trên các công thức của Soulsby và nnk:
);(
wcm
y


))1(1(
qp
xbxxy 

Ứng suất đáy cực đại:
)(
max wc
z


;
nm
xaxy )1(1 

Với: a, b, p, q, m, n là các tham số; giá trị
wc
c
x





   









z

w
jj
C
f
aaaaa
104321
logcoscos


(20)
Với
c

là ứng suất đáy do dòng chảy;
w

- ứng suất đáy do sóng;
m

- ứng suất
đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy;
max

- ứng suất đáy tổng cộng (do sóng và dòng
chảy) cực đại;

là góc hợp bởi giữa hướng truyền sóng và hướng dòng chảy.
Hướng truyền sóng

được xác định bằng:

22
sin
cos
.
cos
VU
V
U
w
w






















(21)
Hoặc được xác định qua các thành phần ứng suất f
x
, f
y
.

FU
F
F
V
U
y
z


















.
cos


(22)
Yếu tố ma sát đáy của sóng dưới tác dụng của dòng chảy có thể biểu diễn qua
công thức của Swart:


























2
;3.0
2
;21.5exp00251.0
19.0


s
ss
w
k
A
k
A
k
A
f
(23)
Trong đó k
s
là hệ số nhám Nikuradse và A được xác định bởi

/
2
^

orb
U
, trong đó


là tần số sóng. Trong công thức trên f
w
có thể biểu diễn qua chu kỳ sóng và độ nhám
đáy:
30
s
o
k
z 
;
 
 









2*
2*
19.0
*

30;3.0
30;1.14exp00251.0


A
AA
f
w
(24)

19



Với A
*
được xác định bằng
0
2
^
/ zTU
orb
.


Trong công thức trên giả thuyết
cm

;;
max

có cùng hướng do dòng chảy chiếm
ưu thế.
Ứng suất đáy do dòng chảy được xác định bằng:

2
0
UC
zc


(25)
Với C
z
là hệ số ma sát và liên hệ với số Chezy:

2
2D
z
C
g
C 
(26)
Trong mô hình 3D, giả thiết profile của vận tốc có dạng logarith, khi đó ứng
suất đáy trung bình theo thời gian do sóng được xác định:

2
^
0
2
1

orb
wc
Uf


(27)
Ở đây f
w
là vận tốc quỹ đạo do sóng;
2
^
orb
U
- biên độ của vận tốc quỹ đạo sóng
gần đáy. Profile của vận tốc phù hợp với sự tăng lên của ứng suất trung bình
m

cho
sóng và dòng chảy, với phân bố theo luật logarith cho dòng chảy bên ngoài lớp biên
sóng:
~
2
*0
U
m


; với
~
2

*
U
- vận tốc ứng suất trượt do sóng và dòng chảy. Khi đó vận
tốc dòng chảy theo phương ngang ở đáy được tính bằng:













~
0
~
*
2
1ln
z
z
u
u
b
b


(28)

Trong đó sự tăng lên của độ nhám do sóng và dòng chảy
~
0
z
được xác định như
sau:
1
2
1
~
*
~
0



u
u
b
b
e
z
z

(29)

Dòng chảy trôi do sóng

Các thành phần chuyển động của khối nước
 
s
y
s
x
MM ;
được xác định thông qua
tổng hợp các thành phần dòng chảy trôi (u
s
và v
s
) của toàn bộ cột nước:
x
D
ss
x
k
E
dzuM






0
;
y
D

ss
y
k
E
dzvM






0

(30)

20



Với
2
8
1
rmso
HE


là năng lượng sóng.
Các thành phần vận tốc được xác định như sau:
)(

0
D
M
u
s
x
s



;
)(
0
D
M
v
s
y
s




(31)
2.2.2. Mô hình sóng
Delft 3D-Wave (SWAN) là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, mô hình tính toán
các tham số sóng trong vùng nước nông ven bờ, trong các hồ đập và vùng cửa sông
ven biển. Các tham số sóng được tính toán từ trường gió dưới tác động của các yếu
tố địa hình đáy, dòng chảy, các quá trình truyền sóng và tương tác sóng. Ngoài các
khu vực nước nông ven bờ, mô hình SWAN cũng có thể áp dụng trên các quy mô

lớn trong các đại dương nơi có độ sâu nước lớn, các tham số sóng được tính toán từ
gió. Mô hình SWAN dựa trên phương trình cân bằng tác động phổ sóng cùng với
các thành phần hàm nguồn cung và tiêu tán.
Các tính năng cơ bản trong mô hình SWAN gồm có:
- Dựa theo quá trình truyền sóng:
+ Truyền sóng trong không gian.
+ Khúc xạ sóng dưới tác động của địa hình đáy và dòng chảy.
+ Nhiễu xạ sóng.
+ Biến dạng sóng dưới tác động của địa hình đáy và dòng chảy.
+ Bị chặn hoặc phản xạ do dòng chảy ngược chiều.
+ Truyền qua một phần, bị chặn hoặc phản xạ bởi công trình.
- Dựa theo quá trình tăng trưởng và tiêu tán sóng:
+ Tăng trưởng sóng do gió.
+ Tiêu tán năng lượng do sóng bạc đầu.
+ Tiêu tán năng lượng do sóng đổ gây ra bởi địa hình đáy.
+ Tiêu tán năng lượng sóng do ma sát đáy.
+ Tương tác giữa các sóng trong cả vùng nước sâu và nước nông.
Ngoài ra trong SWAN, quá trình nước dâng do sóng cũng được tính toán. Tuy
nhiên dòng chảy gây ra do sóng không được tính toán .

21



- Phương trình truyền sóng
Tất cả các thông tin về trạng thái bề mặt biển được thể hiện trong phổ năng
lượng sóng E(σ,θ), năng lượng này được phân bố theo tần số σ và hướng sóng θ.
Thông thường các mô hình tính toán sóng sử dụng quá trình tiến triển của mật độ tác
động sóng theo không gian và thời gian t. Mật độ tác động sóng được
xác định bằng và được bảo toàn trong quá trình truyền sóng trong khi mật độ

năng lượng sóng không được bảo toàn khi có mặt dòng chảy.
Phương trình tiến triển của cân bằng mật độ tác động sóng đưa ra bởi Mei
(1983) và Komen (1994) như sau:
(32)
Phía trái của phương trình là thành phần động năng. Thành phần thứ hai là quá
trình truyền năng lượng sóng trong hai chiều không gian, trong đó là vận
tốc nhóm sóng, k là số sóng. Thành phần thứ ba biểu thị sự biến đổi của tần số do sự
thay đổi địa hình và ảnh hưởng của dòng chảy. Thành phần thứ tư biểu thị quá trình
khúc xạ sóng dưới tác động của địa hình và dòng chảy. Các đại lượng là tốc độ
truyền sóng trong không gian phổ . Phía bên phải phương trình chứa , là hàm
nguồn biểu thị cho các quá trình vật lý như cung cấp, tiêu tán và tái phân bố năng
lượng sóng.
Phương trình cân bằng mật độ năng lượng sóng có thể viết trong hệ tọa độ Đề
các hoặc hệ tọa độ địa lý. Trong trường hợp áp dụng trên quy mô nhỏ phương trình
được viết trong hệ tọa độ Đề các như sau:
(33)
Với quy mô lớn, vùng tính toán là các đại dương hoặc thềm lục địa phương
trình cân bằng tác động phổ được viết trong hệ tọa độ địa lý:
(34)
Trong đó biểu thị theo kinh tuyến và vĩ tuyến .

22



- Nguồn cung cấp và tiêu tán năng lượng
Trong vùng nước nông, tổng năng lượng sóng thu nạp và tiêu tán có thể viết dưới
dạng tổng của sáu quá trình như sau:
(35)
Các đại lượng này tương ứng là năng lượng gió truyền cho sóng, năng lượng

chuyển đổi do tương tác sóng bậc ba và bậc bốn và các quá trình tiêu tán năng lượng
sóng do bạc đầu sóng, ma sát đáy, và sóng đổ do địa hình. Cụ thể các thành phần như
sau:
- Năng lượng sóng nhận từ gió:
Dựa vào hai cơ chế phát triển của sóng, sóng phát triển do gió thông thường
được coi như tổng của các giá trị tăng trưởng tuyến tính và tăng trưởng theo hàm mũ.


(36)
Trong đó A biểu thị phần tăng trưởng sóng tuyến tính và BE biểu thị phần tăng
trưởng sóng theo hàm mũ. Các đại lượng A và B phụ thuộc vào tần số và hướng của
sóng và tốc độ và hướng gió. Trong mô hình SWAN sử dụng tốc độ gió tại độ cao 10
m so với mực nước biển. Các tốc độ gió tại độ cao khác có thể đưa về độ cao tại 10 m
theo công thức:

Trong đó là hệ số kéo, theo Wu (1982) ta có:
(37)
Thành phần tăng trưởng sóng tuyến tính được Cavaleri và Malanotte-Rizzoli
(1981) đưa ra với việc sử dụng hàm lọc các sóng phát triển ở các tần số thấp hơn tần số
Pierson-Moskowitz.
(38)
(39)

(40)